楊銘珂, 賀中華, 任榮儀

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 貴陽 550025)

在全球氣候變暖的大背景下，干旱在經(jīng)濟成本、社會問題以及生態(tài)等方面已經(jīng)發(fā)展為最具破壞性、最廣泛的主要氣候災害之一，干旱通常被定義為某一時段某地正常水的可用性降低，水分入不支出而引起的災害現(xiàn)象，可為分為水文循環(huán)、降水(氣象干旱)、土壤水分(農(nóng)業(yè)干旱)、地下水和徑流(水文干旱)以及社會經(jīng)濟干旱[1]。氣象干旱強調(diào)由不均衡的降水引起水資源匱乏的干旱現(xiàn)象，水文干旱強調(diào)地表水與地下水收支不平衡，水分短缺所引起的干旱現(xiàn)象。與此同時，水文干旱被認為是最徹底的干旱事件，是氣象干旱的延續(xù)，是氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱、社會經(jīng)濟干旱之間的紐帶。Peters等[2]認為水文干旱以干旱為主要驅(qū)動力，取決于氣象干旱在陸地水文循環(huán)中的擴散，受到水文循環(huán)性質(zhì)(降水)的影響。Zhao等[3]在研究渭河流域時也發(fā)現(xiàn)氣象干旱與水文干旱之間具有很強的聯(lián)系。當水文干旱發(fā)生時，很難有足夠地時間解決供水短缺的問題，可以利用從氣象干旱到水文干旱的傳播時間對水文干旱進行預警，Li等[4]利用氣象干旱提出水文干旱等級預測方法，認為在2個月的水文干旱預測，氣象干旱序列更好。因此找出氣象干旱與水文干旱之間的聯(lián)系，以及分析它們之間的滯后效應，這對干旱檢測以及管理很重要，同時也對干旱的成因機制具有重要意義。

Liu等[5]利用三維(緯度、經(jīng)度以及時間)將氣象和水文干旱事件聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)氣象干旱到水文干旱的轉(zhuǎn)變特征為干旱歷時增加，響應時間滯后以及干旱嚴重程度減弱。在從氣象干旱到水文干旱的傳播時間上，Vicente-Serrano等[6]在地中海沿岸的Aragon流域進行干旱研究時發(fā)現(xiàn)該流域水文干旱比氣象干旱滯后 1～4個月。Li等[7]則發(fā)現(xiàn)氣象干旱向水文干旱的傳播時間隨季節(jié)發(fā)生明顯變化，并且兩者的關系表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性[8]。也有相關研究認為氣象與水文干旱的關系在不同時間尺度上表現(xiàn)不同的特征。López-Moren等[9]在埃布羅盆研究水文干旱對不同小流域不同時間尺度的氣象干旱的響應關系時，認為兩者之間的響應關系是多變的。蔣憶文等[10]研究黑河上游氣象與水文干旱指數(shù)時空變化，則發(fā)現(xiàn)該地區(qū)氣象與水文干旱在年尺度上具有較好的一致性，但在月尺度上因為水文循環(huán)過程，通常情況下水文干旱是滯后于氣象干旱。Zhou等[11]也認為氣象和水文干旱變化在季節(jié)和月尺度上是不同的，氣象干旱對當前和未來一個月的水文干旱有顯著影響。Satta等[12]則認為每種干旱特征以及兩種干旱之間的滯后時間由潛在條件和氣候變量的空間變化而不一致。

黔中地區(qū)位于貴州中部，其范圍涉及長江和珠江流域，并在其研究區(qū)內(nèi)建設有黔中水利樞紐工程，該工程以灌溉和城市供水為主，為黔中地區(qū)水資源利用、分配以及管理服務。但黔中地區(qū)處于巖溶峰林、巖溶峰叢，保水、蓄水能力弱，水資源也極度短缺，其具有自身的地貌特點以及氣候特征。與此同時，隨著黔中地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及人口增長，蓄水需求不斷增大，使得人水矛盾突出，極為容易引發(fā)干旱事件，這對黔中水利樞紐工程的有效運行提出了巨大的挑戰(zhàn)。并且前人研究主要集中在氣象干旱特征或者水文氣象要素變化等方面，對于該地區(qū)的水文干旱以及水文、氣象干旱響應關系的分析較少。因此本文將以貴州中部地區(qū)為研究區(qū)域，基于降水資料和徑流資料對黔中地區(qū)的氣象水文干旱演變特征進行分析，并探求兩者之間的響應關系，希望能為黔中地區(qū)干旱評估、干旱預報以及為黔中水利樞紐工程的管理等工作提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域

黔中地區(qū)位于貴州省中部(圖1)，介于25°23′30″—75°5′10″N，104°10′20″—107°2′20″E，本研究擬以解決該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展用水而建設的重要調(diào)水工程——黔中水利工程樞紐為線，東至貴陽，西至關嶺，北至威寧，南至鎮(zhèn)寧，處于巖溶峰林、巖溶峰叢，巖溶發(fā)育并分布較廣，透水性強且排泄快，土層較薄且蓄水保水能力差，水資源開發(fā)利用難度大。該地區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候，雨季受季風控制，年降水變率約為10.4%，多年平均降雨量為1 002 mm，主要集中在夏季，以6月居多，春、冬季少雨，夏季高溫多雨，秋季高溫少雨。研究區(qū)域內(nèi)的年徑流變率約為21.4%，6—7月徑流豐富，占全年徑流量的40%，而11月—次年4月為枯水期，尤以2—3月最少。特殊的喀斯特地貌、降水以及徑流時空分布不均等特征使得干旱事件在該地區(qū)頻發(fā)。

圖1 黔中地區(qū)以及氣象-雨量站和水文站分布

2 數(shù)據(jù)與來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文收集了貴州黔中地區(qū)1970—2016年多個氣象站以及雨量站的月均降水，同時氣象站數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)站的日值數(shù)據(jù)集，徑流數(shù)據(jù)選取該地區(qū)1970—2016年的6個水文站點的逐月徑流數(shù)據(jù)(圖1)，利用逐月的降水和徑流數(shù)據(jù)對其氣象和水文干旱進行分析。

2.2 研究方法

標準化降水指數(shù)(Standardized precipitation index，SPI)是氣象干旱評估常用指標，適用多尺度地對氣象干旱進行監(jiān)測與評估。通常采用Gamma分布概率描述降水量的變化，將偏態(tài)概率分布的降水量進行正態(tài)標準化處理，用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級[13]。標準化徑流指數(shù)(Standardized streamflow index，SSI)是水文干旱評估常用指標[14]，徑流與降水類似，同樣服從偏態(tài)分布，Malik[15]在對印度北阿坎德邦上流進行干旱預測時將徑流值替代降水值，使用Gamma概率分布模型計算了水文干旱指數(shù)，即證明該概率分布模型同樣適用于以徑流為指標的水文干旱指數(shù)計算。并且黔中地區(qū)降水量與徑流量相關系數(shù)達到0.86以上，兩者相關性明顯，同時為了便于對比干旱類型，本文的SSI與SPI計算方法一致，均采用gamma概率分布模型計算，采用降水指標計算得到SPI，將徑流指標代替降水得到SSI值。以SPI為例，具體計算公式為[16-18]：

(1)

式中:G(x)由gamma分布函數(shù)概率積分計算得出,用于擬合站點每個月的降水(徑流)頻率；x為月降水量(徑流量)；γ，β分別為gamma分布函數(shù)的形狀與尺度參數(shù)[17]。

(2)

(3)

本文采用gamma概率分布模型計算出月尺度的標準化降水指數(shù)(SPI)和標準化徑流指數(shù)(SSI)，并且依據(jù)《氣象干旱等級GB/T20481-2006》中的分級標準劃分干旱等級(表1)。

表1 基于SPI與SSI的干旱等級劃分

本文從干旱發(fā)生的頻率以及干旱發(fā)生的強度兩個方面評價黔中地區(qū)近47 a干旱演變特征。以月為單位，為了便于比較不同時期不同等級的干旱發(fā)生次數(shù)，故以干旱發(fā)生的頻率作為表征，按不同程度的干旱發(fā)生月數(shù)計算不同時期的干旱頻率[19]。為了方便描述和理解黔中地區(qū)干旱的空間變化特征，將干旱強度按干旱等級劃分無旱、輕度干旱、中度干旱、重度干旱以及極端干旱，得到黔中地區(qū)不同年代干旱強度空間分布圖，以評價不同時期干旱強度的空間格局特征[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象干旱時空特征

3.1.1 氣象干旱時間演變 以貴州黔中地區(qū)的氣象以及雨量站1970—2016年逐月降水計算該地區(qū)月尺度SPI值，圖2選取1個月、3個月、6個月、9個月以及12個月時間尺度的月SPI?？梢钥闯?，隨著時間尺度的增大，SPI識別的干旱事件減少，但干旱歷時增加。1個月時間尺度的SPI(SPI_1)以及3個月時間尺度的SPI(SPI_3)所識別的干旱事件以短歷時為主，且SPI_3與SPI_1相比，SPI_1反映每個年代際均出現(xiàn)干旱，SPI_3則識別較長歷時的干旱事件，呈現(xiàn)出一定規(guī)律，在圖2B中，可以發(fā)現(xiàn)干旱事件主要集中在20世紀80年代以及90年代、21世紀00年代以及10年代，尤其是2009—2013年期間，該時期SPI值最低且平均干旱歷時較長，這說明這一時期黔中地區(qū)發(fā)生較為嚴重的干旱事件。而6個月、9個月以及12個月時間尺度的SPI(SPI_6，SPI_9，SPI_12)識別的干旱事件以長歷時為主，隨著時間尺度增加，干旱歷時增大，干旱事件減少。在圖2E中，可以看出黔中地區(qū)不同年代際的干旱情況，1970—2016年SPI值共出現(xiàn)了6次明顯的低峰，依次為 1975年7月—1976年5月，1981年7月—1982年4月，1988年11月—1990年5月，2003年6月—2007年5月，2009年9月—2010年11月以及2011年6月—2012年6月，2013年6月—2014年6月，其中以2003—2007年的干旱歷時最長，為48個月。分析不同時間尺度的動態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)時間尺度較短時，SPI具有較高的時間頻率振蕩，干濕交替頻繁，而在較長的時間尺度上，SPI顯示較低的時間頻率，從而能夠監(jiān)測持續(xù)的干燥和潮濕時段。

圖3為黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個月時間尺度的年均SPI值變化趨勢，可以看出近47年貴州黔中地區(qū)SPI整體呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，具有明顯的干旱化態(tài)勢。不同時間尺度上SPI也呈現(xiàn)不同程度的干旱化特征，且隨著時間尺度的增加，黔中地區(qū)干旱現(xiàn)象越顯著。以1個月尺度的SPI(SPI_1)變化趨勢最小，其斜率為-0.009，干旱現(xiàn)象不明顯，SPI最小值出現(xiàn)在2009年，其次是1988年，依據(jù)SPI_1的5 a滑動平均趨勢線來看，1980—1985年，SPI值下降顯著，其最低點在1985年，1995—2009年SPI再次出現(xiàn)明顯地下滑，最低點在2009年，即表示黔中地區(qū)近47年來2009年干旱最嚴重。以12個月尺度的SPI(SPI_12)變化趨勢最顯著，其斜率為-0.02，該時間尺度上，干旱現(xiàn)象顯著，SPI最低點在2010年，由SPI_12的5 a滑動平均趨勢來看，SPI值在1978—1987年這段時期發(fā)生第一次顯著下降的趨勢，最低谷為1986年，這與SPI_1相比，最低點往后1 a；SPI值發(fā)生第二次下降且最顯著的時段在1995—2010年，最低點在2010年，表明這段時期干旱態(tài)勢化顯著且2010年為氣象最干旱的一年。SPI_3，SPI_6以及SPI_9下降趨勢相近，斜率分別為0.014，0.016以及0.018，但隨著時間尺度增大，SPI值的5 a滑動平均曲線出現(xiàn)的起伏越大。在圖2B和圖2C中，可以看出，SPI_3和SPI_6的最低值均出現(xiàn)在2013年，而5 a滑動平均趨勢的最低值在2009年，這說明SPI_3和SPI_6的干旱化態(tài)勢整體上雖然顯著但比SPI_9，SPI_12的干旱化趨勢小。

圖2 1970-2016年黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個月SPI動態(tài)特征

圖3 1970-2016年黔中地區(qū)SPI變化特征

從年代際來看，SPI_1，SPI_3以及SPI_6以輕旱為主。與SPI_9，SPI_12相比，SPI_6出現(xiàn)的干旱事件最多，主要集中在21世紀10年代；SPI_9在21世紀10年代出現(xiàn)3次中度干旱以及1次重度干旱；SPI_12則以中旱為主，各個時間段均出現(xiàn)干旱，以2010年SPI值為小，為-1.67，屬于重度干旱。這說明在12個月時間尺度上，黔中地區(qū)氣象干旱態(tài)勢愈發(fā)嚴重，干旱事件頻繁，干旱程度增大。

圖4是根據(jù)表1中SPI干旱劃分等級，統(tǒng)計近47年黔中15個氣象以及雨量站點每月SPI值，得到1970—2016年黔中地區(qū)干旱事件頻率變化圖。由圖4可看出，1970—2016年黔中地區(qū)干旱事件發(fā)生的頻率明顯增加，無旱月由1970年的74.61%下降到2010年的67.30%，不同程度的干旱月出現(xiàn)不同的漲幅，其中極端干旱事件出現(xiàn)的次數(shù)增多，干旱頻率增大且21世紀的極端干旱發(fā)生的頻率最高，20世紀80年代后逐年代際增加，其干旱頻率由20世紀70年代的2.06%增加至21世紀10年代的4.21%，兩者相差約2.7倍，這說明黔中地區(qū)21世紀初極端干旱事件發(fā)生較為頻繁。輕度、中度以及重度干旱事件發(fā)生的頻率總體上呈增加的趨勢，但并不是隨著年代際一直增加。輕度干旱在20世紀70年代的干旱頻率為11.89%，然而在21世紀00年代，其干旱頻率為17.00%，兩者相差約1.4倍，但21世紀10年代出現(xiàn)了下降的趨勢。中度干旱最大的干旱頻率在21世紀10年代，為9.37%，其次是20世紀90年代，為9.17%，最小干旱頻率在20世紀70年代，為7.67%，中度干旱頻率總體上隨著年代際出現(xiàn)增加—減少—增加的趨勢并且漲幅不大。重度干旱頻率總體上以增加—減少的趨勢變化，其在20世紀70年代至21世紀00年代呈增加趨勢，漲幅1.5%，在21世紀10年代干旱頻率下降，但下降幅度不大。由圖4分析可知，黔中地區(qū)近47 a氣象干旱事件發(fā)生的頻率增加，其中以重度干旱、極端干旱的頻率漲幅最為明顯。

圖4 1970-2016年黔中地區(qū)不同氣象干旱等級發(fā)生的頻率

3.1.2 氣象干旱空間分布 從圖5中可以看出黔中地區(qū)各時段氣象干旱強度空間變化特征存在明顯差異。黔中地區(qū)1970—2016年多年平均干旱強度空間分布特征具有明顯的差異性(圖5F)，干旱以東至西出現(xiàn)強—弱—強—弱的變化特征，并且近47年黔中地區(qū)的干旱事件以中度干旱為主。

從年代際上看，發(fā)現(xiàn)不同年代際氣象干旱空間變化格局不同。在圖5(A，B，C)中可以發(fā)現(xiàn)20世紀黔中地區(qū)干旱主要發(fā)生在威寧南部至黔中中部、西部以及南部等一些地區(qū)以及貴陽東南部，極端干旱以20世紀70年代最為顯著。而威寧北部、織金西部、清鎮(zhèn)、平壩東北部以及貴陽西北部的干旱化態(tài)勢較弱，主要以無旱為主。21世紀干旱空間格局出現(xiàn)與20世紀不同的變化特征。21世紀00年代(圖5D)，黔中地區(qū)以中度干旱為主，其干旱化面積最廣，由西北方向至東南方向，干旱呈減弱的變化趨勢，貴陽東南部以極端干旱為主。21世紀10年代(圖5E)，以西北至西南，黔中干旱化態(tài)勢呈減弱—增強—減弱的變化趨勢，以中度干旱為主，極端干旱分別出現(xiàn)在赫章北部、威寧北部以及貴陽東南部。21世紀黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢較20世紀強，干旱化態(tài)勢面積增加，并且中度干旱化態(tài)勢面積也呈增加趨勢，同時發(fā)現(xiàn)貴陽東南部是干旱化態(tài)勢最顯著的地區(qū)，而清鎮(zhèn)以及貴陽西北部的干旱化態(tài)勢最小。結(jié)合圖5(A-F)分析，發(fā)現(xiàn)近47 a黔中地區(qū)氣象干旱在不同年代際呈現(xiàn)不同的空間分布特征，隨著年代際的增加，黔中地區(qū)干旱化區(qū)域面積不斷擴大。

圖5 1970-2016年黔中地區(qū)氣象干旱強度的時空分布特征

3.2 水文干旱時空特征

3.2.1 水文干旱時間演變 以貴州黔中地區(qū)的水文站1970—2016年逐月徑流計算月尺度SSI值，圖6選取1個月、3個月、6個月、9個月以及12個月時間尺度的月SSI值。隨著時間尺度的增加，SSI識別的干旱事件越集中，且干旱歷時越長。較短的時間尺度如1個月時間尺度的SSI(SSI_1)和3個月時間尺度的SSI(SSI_3)具有較高的時間頻率振蕩，識別更多的干旱事件，并且以短歷時為主，在圖6(A—B)中，不同年代際均出現(xiàn)不同程度的干旱，主要輕旱和中旱為主，不同的是，SSI_3的干旱低峰值明顯，所識別的重旱與極旱也多于SSI_1。較長的時間尺度如6，9以及12個月時間尺度的SSI(SSI_6，SSI_9以及SSI_12)具有較低的時間頻率振蕩。在圖6(C，D和E)中，看出SSI_6，SSI_9和SSI_12識別的干旱事件較為集中，干旱歷時較長，并且隨著時間尺度不斷增大，重旱以及極旱出現(xiàn)的次數(shù)也呈增加趨勢，SSI_12的重度和極端干旱事件多于其他兩個時間尺度。依據(jù)SSI_12(圖6E)可以看出黔中地區(qū)近47 a中共出現(xiàn)7次明顯地干旱值低峰，干濕情況分明，其中以2005年5月至2007年7月的干旱歷時最長，為26個月。

圖6 1970-2016年黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個月SSI動態(tài)特征

圖7為黔中地區(qū)1，3，6，9以及12個月時間尺度的SSI值變化趨勢，由圖可以看出隨著時間尺度的增大，SSI下降的趨勢越顯著，斜率越大，同時5 a滑動平均曲線起伏的坡度越大。以1個月尺度的SSI(SSI_1)變化趨勢最小，其斜率為-0.007，干旱現(xiàn)象不明顯，出現(xiàn)兩個明顯的SSI值低峰，分別在1989年以及2013年，依據(jù)SSI_1的5 a滑動平均來看，兩次下降趨勢分別為1982—1986年以及1996—2008年，這與SSI值曲線最低峰不一致。

3，6以及9個月時間尺度的SSI下降趨勢逐漸增強(圖7B，C和D)，斜率分別為0.009，0.01，0.011，但不同時間尺度SSI的5 a滑動平均最低峰也不同，SSI_3的兩次低峰為1987年以及2009年，SSI_6的為1986年以及2010年，SSI_9的為1987年以及2010年，這說明不同時間尺度上SSI呈現(xiàn)不同程度的干旱化特征。12個月時間尺度的SSI變化趨勢最顯著(圖7E)，其斜率為0.012，該時間尺度上，SSI變化曲線與5 a滑動平均曲線的起伏明顯，SSI值最低點出現(xiàn)在1990年，其次是2006年，依據(jù)5 a滑動平均曲線可以發(fā)現(xiàn)，SSI_12的第一次下降在1977—1986年，第二次在1996—2010年，這說明1977年開始干旱化態(tài)勢不斷加強，在1990年達到最低值后，黔中地區(qū)干旱態(tài)勢開始減弱，在1991年進入濕潤化態(tài)勢，隨后在1996年干旱化態(tài)勢繼續(xù)加強，至2006年達到第2個SSI值低點，隨后干旱化態(tài)勢雖然減弱，但一直持續(xù)，直到2015年才轉(zhuǎn)為濕潤化態(tài)勢。

圖7 1970-2016年黔中地區(qū)SSI變化特征

從年代際來看，年均SSI值識別的干旱主要集中在21世紀00年代和10年代。SSI_1和SSI_3以輕旱為主，SSI_1的干旱事件較少，SSI_3的干旱事件主要集中在21世紀；而SSI_6，SSI_9以及SSI_12則以輕旱、中旱為主，SSI_6在20世紀80年代出現(xiàn)一次重旱，SSI_9出現(xiàn)的干旱事件最多，SSI_12在20世紀90年代以及21世紀00年代出現(xiàn)重旱，以1990年SSI值為小，為-1.68，屬于重度干旱。對黔中地區(qū)近47 a不同時間尺度的SSI變化趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)水文干旱化態(tài)勢隨年代際發(fā)生不同變化，總體呈增強—減弱—增強—減弱的變化趨勢。

本文根據(jù)表1干旱劃分等級，統(tǒng)計近47 a黔中6個水文站點每月SSI值，按不同等級的干旱發(fā)生月數(shù)計算不同時期的干旱頻率，得到1970—2016年黔中地區(qū)水文干旱事件頻率變化圖。黔中地區(qū)不同等級的水文干旱發(fā)生的頻率隨著年代際發(fā)生不同的變化，無干旱月份的頻率出現(xiàn)了減少—增加—減少的趨勢，其出現(xiàn)頻率以20世紀70年代71.25%下降至21世紀10年代的58.13%，這說明黔中地區(qū)水文干旱事件隨著年代際增加。其中極端干旱月增加的次數(shù)明顯增多，20世紀70年代發(fā)生極端干旱的頻率最小，為0.69%，20世紀10年代發(fā)生的頻率最大，為3.57%，兩者相差約2.88%，這說明極端干旱事件在21世紀發(fā)生較頻繁。中度以及重度干旱事件發(fā)生的頻率在1970—2016年也出現(xiàn)了明顯的漲幅，兩者的變化趨勢均為增加—減少—增加。

發(fā)生中度干旱的最大干旱頻率出現(xiàn)在21世紀10年代，為13.69%，其發(fā)生最小的干旱頻率在20世紀70年代，為7.22%，兩者相差6.47%；21世紀10年代發(fā)生重度干旱的頻率為8.13%，20世紀70年代與90年代重度干旱頻率均為2.92%，干旱頻率的最大值與最小值相差5.31%。輕度干旱事件發(fā)生的頻率隨著年代際發(fā)生增加—減少—增加—減少的變化，其中20世紀80年代輕度干旱頻率為18.89%，是各年代際最大的，而最小的干旱頻率在20世紀90年代，為14.44%，兩者相差4.45%。由此可知，黔中地區(qū)近47 a水文干旱事件發(fā)生的頻率增加，以中度干旱增加最為顯著，重度以及極端干旱事件也出現(xiàn)增加的趨勢，并且在年代際間差異較大，而輕度干旱發(fā)生頻率減少。

圖8 1970-2016年黔中地區(qū)不同水文干旱等級發(fā)生的頻率

3.2.2 水文干旱空間分布 圖9為黔中地區(qū)不同年代水文干旱強度空間分布圖，以評價不同時期的干旱強度的空間格局特征。黔中地區(qū)多年平均水文干旱強度空間格局出現(xiàn)兩極分化的特征(圖9F)，干旱化態(tài)勢以東至西呈增加的趨勢。

從年代際上看，發(fā)現(xiàn)不同年代際水文干旱空間變化格局不同。20世紀黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢隨年代際變化呈弱—強的趨勢，發(fā)生干旱的地區(qū)逐漸增多，并且黔中的中南部地區(qū)干旱頻發(fā)，以輕度干旱為主。21世紀黔中地區(qū)水文干旱化態(tài)勢隨著年代際呈增加趨勢，以中度干旱為主。21世紀00年代與10年代的干旱空間格局存在差異。21世紀00年代(圖9D)，黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢由東往西呈減弱的趨勢，而21世紀10年代(圖9E)黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢由西北至東南呈減弱—增強的變化。黔中地區(qū)水文干旱的空間分布特征隨年代際發(fā)生不同的變化，空間差異性大。最為明顯的為20世紀與21世紀干旱化態(tài)勢的分布不一致，20世紀黔中地區(qū)干旱化最為明顯的地區(qū)主要在其中部，而進入21世紀，特別是21世紀10年代，干旱化態(tài)勢最顯著的地區(qū)則在該地區(qū)西北部，同時21世紀的干旱化態(tài)勢是強于20世紀的。

圖9 1970-2016年黔中地區(qū)水文干旱強度的時空分布特征

3.3 水文干旱與氣象干旱的關系

從3.1與3.2可知，黔中地區(qū)干旱化態(tài)勢越發(fā)嚴重，重度和極端干旱發(fā)生的頻率增加，同時該地區(qū)干旱化面積也在增加。氣象干旱是干旱發(fā)生的開始，而水文干旱則是氣象干旱的延續(xù)，利用氣象干旱有效預測水文干旱發(fā)生的前提是找到兩種干旱類型之間的關系。所以本文在研究黔中地區(qū)干旱演變特征的基礎之上繼續(xù)對該地區(qū)水文干旱與氣象干旱的關系進行探求。

采用Pearson簡單相關系數(shù)分別對1～12個月尺度的SPI和SSI指數(shù)進行相關分析，從整體上看，兩者相關系數(shù)均通過了α=0.01顯著性水平檢驗，圖10為年均、1月、4月、7月、10月的SPI與SSI月序列的相關分析，以1月代表冬季、4月代表春季、7月代表夏季以及10月代表秋季。由圖可以看出，SSI-SPI之間相關系數(shù)變化趨勢總體上一致，但不同的月份在不同時間尺度上其相關系數(shù)出現(xiàn)明顯的差異，具體為：

(1)由圖10可知，SPI與SSI之間的相關性隨著時間尺度的增加而越密切，在達到某個值時，相關系數(shù)會保持一個穩(wěn)定的水平緩慢地上升，當時間尺度繼續(xù)增加時，兩者的相關系數(shù)則會下降。并且不同時間的相關系數(shù)變化趨勢也不一致。

(2)1月以及4月SSI-SPI的相關系數(shù)總體上低于年均相關系數(shù)，7月以及10月SSI-SPI的相關系數(shù)則總體是高于年均相關系數(shù)。這說明黔中地區(qū)冬春兩季水文干旱對氣象干旱響應弱于夏秋兩季，SSI-SPI關系的模式隨著時間尺度發(fā)生季節(jié)性變化，不同季節(jié)表現(xiàn)出明顯的差異。

(3)1月SSI-SPI關系最佳尺度為7個月。在圖10中，可以發(fā)現(xiàn)其相關系數(shù)增加速度最快的階段為2～7個月，7個月時間尺度以后相關性保持穩(wěn)定地緩慢地上升趨勢。4月SSI-SPI相關性的變化趨勢弱于其他月份，其最佳尺度為10個月。7月SSI-SPI的總體相關系數(shù)比年均與其他月份高，但其最佳時間尺度為3個月。10月SSI-SPI相關性變化趨勢顯著，依據(jù)相關系數(shù)增加的速度來看，10月SSI-SPI相關性最佳時間尺度為4個月。

圖10 黔中地區(qū)不同時間尺度上SSI與SPI連續(xù)序列之間的相關系數(shù)

圖11為不同時間不同尺度上SSI-SPI相關系數(shù)的熱圖。根據(jù)年均相關系數(shù)的熱圖變化趨勢發(fā)現(xiàn)(圖11E)，黔中地區(qū)的水文干旱普遍滯后于氣象干旱1個月，例如SSI_1與SPI_2相關系數(shù)大于SSI_1與SPI其他尺度，依次類推；但10個月尺度以后，SSI_11與SPI_11，SSI_12與SPI_12的相關系數(shù)均大于其他尺度，李運剛[21]認為水文干旱發(fā)生時都會伴隨著氣象干旱的發(fā)生，但氣象干旱并不一定會引起水文干旱的發(fā)生，這由氣象干旱的歷時或強度所決定。當氣象干旱的歷時較短或者強度較小的情況下，水文干旱不一定發(fā)生。同理，在多時間尺度例如12個月時間尺度上，氣象干旱的歷時較長以及強度較大，使得水文干旱同時期發(fā)生也是有可能的。

圖11 黔中地區(qū)年均、1月、4月、7月以及10月SSI-SPI相關系數(shù)熱圖

水文干旱與氣象干旱之間的相關性在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同信息。在圖11(A，B，C和D)，隨著季節(jié)變化，SSI-SPI相關性也發(fā)生了明顯變化，兩者的相關性依次減小順序為夏季>秋季>春季>冬季，最大相關性的時間尺度也發(fā)生同質(zhì)變化，以夏季開始(圖11C)，其高相關性主要集中在3～9個月時間尺度上；秋季6～12個月時間尺度的相關系數(shù)較高(圖11D)，夏季至秋季，高相關性群推后3個月；冬季高相關性主要集中在8～12個月(圖11A)，秋季至冬季，高相關性群縮小并推后2個月；而春季的高相關性群繼續(xù)縮小(圖11B)，相關性最佳的尺度為3個月，集中在10～12個月時間尺度上，同時相關性大的時間尺度也隨著減少。

水文干旱不直接受降雨的影響，其嚴重程度反映了地區(qū)的缺水量，而由降水補充的蓄水量枯竭會對該地區(qū)的缺水量產(chǎn)生深遠影響[22]，所以由不均衡降水導致的氣象干旱與水文干旱有著密切的關系。結(jié)合圖10與圖11分析，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)SSI-SPI最佳時間尺度與滯后時間是不一致的。1月最佳時間尺度為7個月，其水文干旱滯后于氣象干旱1～4個月；4月最佳時間尺度為10個月，其水文干旱滯后于氣象干旱1～5個月；7月最佳時間尺度為3個月，而其水文干旱滯后于氣象干旱1～3個月；10月最佳時間尺度為4個月，其水文干旱普遍滯后于氣象干旱1～4個月。黔中地區(qū)地貌類型既包括喀斯特峰林區(qū)也包括喀斯特峰叢區(qū)[23]，巖溶水系統(tǒng)的特殊性使得該地區(qū)的氣象水文干旱情況與國內(nèi)其他地區(qū)不同，特別是氣象與水文干旱之間的響應關系也因此受到明顯的影響。黔中地區(qū)夏季SSI-SPI相關性最大，其次是秋季，結(jié)合該地區(qū)降水與地貌特征分析，該地區(qū)受到大氣環(huán)流季節(jié)活動的影響，降水時空分布不均，地下河道以及巖溶孔隙等存在使得降水入滲至地下河或者其他巖溶孔隙儲存，以及巖溶水補給地表水包括徑流等均需要過程以及時間。夏季7月、8月因高溫少雨，發(fā)生氣象干旱時，隨著干旱強度增強或干旱歷時加長，使得地表水嚴重缺水，影響作物供水以及生活用水，地下水以及巖溶孔隙水等補給地表水的水量增多以及補給速度加快從而缺水，由此影響流域蓄水量；秋季溫度高，降水補給少，地下水以及儲存在巖溶孔隙的水等繼續(xù)補給地表水，由于干旱強度或者干旱歷時小于或者短于夏季干旱，秋季SSI-SPI相關性僅次于夏季，所以夏、秋兩季的SSI-SPI最佳時間尺度與滯后時間相差不大。黔中地區(qū)冬季雨雪補給雖然量少，但因為溫度低，日照時數(shù)少，蒸發(fā)弱于其他季節(jié)，地表缺水量不嚴重，地下水補給弱，SSI-SPI相關系數(shù)較低。春季溫度開始回升，同時降水補給晚，植物需水增大，蒸發(fā)增強，與冬季干旱類似，干旱歷時較長以及干旱化面積較小，以較長的時間尺度才能引起水文干旱，所以春冬兩季最佳時間尺度與滯后時間相差較大。故SSI-SPI相關系數(shù)大小為夏季>秋季>春季>冬季。

4 結(jié) 論

(1)標準化降水指數(shù)(SPI)與標準化徑流指數(shù)(SSI)不同的時間尺度反映的干旱特征不同，主要為較短時間尺度的干旱指數(shù)具有較高的時間頻率振蕩，能識別更多的干旱事件，而較長的時間尺度上，干旱指數(shù)具有較低的時間頻率振蕩，能夠監(jiān)測持續(xù)的干燥和濕潤時段。

(2)1970—2016年黔中地區(qū)氣象以及水文干旱強度增強，干旱化趨勢隨著年代際發(fā)生變化，主要以增強趨勢為主。并且該地區(qū)發(fā)生干旱的頻率增加，其中21世紀以后重度干旱以及極端干旱出現(xiàn)的頻率大幅增加。

(3)黔中地區(qū)氣象與水文干旱在不同年代際呈現(xiàn)不同的空間分布特征。21世紀黔中地區(qū)氣象干旱化態(tài)勢較20世紀強，干旱化態(tài)勢面積增加，并且貴陽東南部是干旱化態(tài)勢最顯著的地區(qū)。20世紀與21世紀的黔中地區(qū)水文干旱化態(tài)勢的分布不一致，20世紀黔中地區(qū)干旱化最為明顯的地區(qū)主要在其中部，而進入21世紀，特別是21世紀10年代，干旱化態(tài)勢最顯著的地區(qū)則在該地區(qū)西北部。

(4)黔中地區(qū)氣象干旱與水文干旱的關系非常密切，相關系數(shù)隨著時間尺度增加而增大，但達到最大值后，時間尺度繼續(xù)增加時，兩者的相關系數(shù)則會下降，并且不同時間的相關系數(shù)變化趨勢不一致。同時氣象干旱與水文干旱之間的響應關系還呈現(xiàn)出季節(jié)性變化，其相關系數(shù)大小為夏季>秋季>冬季>春季。

SPI與SSI分別是基于降水和徑流計算得來，兩者用于分析黔中地區(qū)氣象與水文干旱的演變過程和空間特征，結(jié)合Pearson相關分析對SSI—SPI之間的關系進行定性分析，而實際干旱情勢的定性分析以及氣象水文干旱之間的定量關系仍然存在一定的挑戰(zhàn)，氣象干旱向水文干旱傳播的時間受多種因素的影響，僅僅采用相關分析是不夠的，并且黔中地區(qū)巖溶地貌復雜多樣，社會經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式以及水資源開發(fā)與利用等因素使得對氣象水文干旱之間的關系進行分析時需要更深度考慮。未來時期將繼續(xù)致力于黔中地區(qū)不同類型干旱的演變以及響應關系，采用更科學的定量方法并考慮結(jié)合氣候模式以及IPCC未來排放情景對該區(qū)域氣象水文干旱的響應關系進行模擬和預測。